为什么材料变形后会变得更坚固？哈佛研究团队揭示加工硬化普遍机制

盖世汽车讯 青铜和铁器时代的最早期铁匠发现，当通过弯曲或锤击使金属变形后，金属会变得更坚固。这一过程名为加工硬化或应变硬化，现在仍在冶金制造领域得到广泛应用，以提高汽车车架到架空电线等设施的强度。但目前为止，材料科学家还无法对这一重要过程实时进行展开式观察。

（图片来源：nature.com）

据外媒报道，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员首次观察到驱动加工硬化基本过程的具体机制。这项研究在哈佛大学材料研究科学与工程中心（MRSEC）进行，通过更深入地了解材料强度，有望对材料设计和制造产生广泛的影响。相关论文发表在期刊《自然（Nature）》上。

研究人员Frans Spaepen表示：“很多工业变形过程中都用到加工硬化。目前，人们通过大型计算机程序来为加工硬化建模，但为了使这些模型更加有效，我们需要进一步了解控制这一过程的潜在机制。这项工作为我们提供了一个实时窗口，以了解加工硬化的普遍过程。”

人们无法实时观察到金属中的加工硬化，因为只有通过电子显微镜才能观察到原子结构。研究人员可以比较变形前后的结构，但也仅能有限了解这一过程中发生的情况。先前的研究表明，结构中的缺陷（称为错位）形成了缺陷网络，从而导致加工硬化。研究人员Ilya Svetlizky表示：“目前尚不清楚的是，这些原子晶体中导致硬化的缺陷之间相互作用的整体复杂性。”

为了解该过程中的关键部分，该团队转向胶态晶体，这些粒子大约比原子大1万倍，可在高浓度下自发形成晶体结构。这些晶体可用于模拟原子系统，因为它们具有相同的结构，经历相同的相变过程，并拥有同类缺陷。然而，胶态晶体非常柔软，比美国的透明甜点吉露果子冻（Jell-O）还要软10万倍。

研究人员培育出由数百万个粒子组成的胶态晶体，并利用共聚焦光学显微镜来观察每一个粒子。当向这些晶体施加应变时，他们可以测量每个粒子的运动状况。令人惊讶的是，这些胶态晶体经历了明显的加工硬化，甚至比其他任何材料都更加强劲。事实上，将粒子尺寸差异考虑在内，这些超柔软材料变得比其他金属更加坚固。研究人员Seongsoo Kim表示：“我们没想到这些硬球状胶态晶体会发生加工硬化。比起普通金属，这些粒子之间的相互作用非常简单。事实上，我们发现，这些软材料表现出异常明显的加工硬化，甚至超过大多数铜和铝金属。”

这是首次在胶态晶体中观察到加工硬化。结果表明，该过程主要由粒子的几何形状和缺陷控制。由于错位缺陷，以及它们相互作用和相互纠缠的方式，这些晶体变得更加坚固。这些观察结果揭示了加工硬化的普通机制，而这也将更普遍地适用于所有材料，甚至是那些无法用光学显微镜研究的材料。这些软胶态晶体表现出如此卓越的加工硬化，因为它们可以容纳非常高密度的缺陷。

研究人员David A. Weitz表示：“这项研究表明一些导致材料变得更坚固的基本和普遍机制。这些材料富有吸引力，虽然非常柔软，但加工硬化使它们成为已知最坚固的材料。”